CN106276606A - 基于光纤光栅传感技术的桥式起重机健康在线监测系统 - Google Patents

基于光纤光栅传感技术的桥式起重机健康在线监测系统 Download PDF

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祝锋
刘敏
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Abstract

本发明公开了一种基于光纤光栅传感技术的桥式起重机健康在线监测系统，其特征在于，包括桥式起重机主体，多个光纤光栅应变传感器、光纤光栅传感解调仪、光纤接线盒和计算机，光纤接线盒内设有多个光纤分路器，多个光纤光栅应变传感器分布于桥式起重机的应力测量点上，多个光纤光栅应变传感器采用并联连接，每一个光纤光栅应变传感器均同光纤分路器的出线端连接，光纤分路器的进线端通过光纤光栅传感器调节仪与计算机连接。通过此监测系统对作业中的桥式起重机应力情况进行实时在线监测，保证桥式起重机的安全运行，结合预警机制完成结构健康评估，为起重机的使用、维护以及轻量化设计提供量化数据和安全保障，提高桥式起重机的节能性和经济性。

Description

基于光纤光栅传感技术的桥式起重机健康在线监测系统
技术领域
本发明涉及光纤光栅传感监测技术领域，具体涉及一种基于光纤光栅传感技术的桥式起重机健康在线监测系统。
背景技术
桥式起重机作为港口起重机械中不可或缺一种，具有起吊能力强，作业效率高的特点，广泛应用于各大装备制造业、物流运输业中。随着桥式起重机的广泛应用，其安全性能也日益受到人们的关注。
目前，设计人员为了保证桥式起重机的安全性能，在设计中预留的安全系数裕量较大，使得桥式起重机形式笨重、体积庞大。在保证桥式起重机作业安全的同时，也增加了其作业能耗。因此，在保证桥式起重机作业安全的前提下进行结构轻量化设计具有十分重要的意义。
本发明专利依托国家科技支撑计划“桥式起重机械轻量化共性技术研究”资助(批准号：2015BAF06B01)，旨在建立一套桥式起重机结构健康长期在线监测系统，实时评估起重机作业中的应力情况，保证其作业安全，同时为桥式起重机的轻量化设计提供数据支持和安全保障。通过轻量化技术以获取低能耗、高性能的桥式起重机是现今机械发展的大趋势。
目前技术最成熟且应用最广泛的结构应力测试传感器为电阻应变片，它具有分辨率高、尺寸下、价格便宜、测量范围大的有点，但不适用于长期监测。本项目选择光纤光栅应变传感器对桥式起重机进行应力测试，它具有可靠性好、抗干扰能力强、测量精度高的特点，适用于长期监测。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种基于光纤光栅传感技术的桥式起重机健康在线监测系统，对作业中的桥式起重机应力情况进行实时在线监测，保证桥式起重机的安全运行，结合预警机制完成结构健康评估，为起重机的使用、维护以及轻量化设计提供量化数据和安全保障，提高桥式起重机的节能性和经济性。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种基于光纤光栅传感技术的桥式起重机健康在线监测系统，包括桥式起重机主体，多个光纤光栅应变传感器、光纤光栅传感解调仪、光纤接线盒和计算机，光纤接线盒内设有多个光纤分路器，多个光纤光栅应变传感器分布于桥式起重机的应力测量点上，多个光纤光栅应变传感器采用并联连接，每一个光纤光栅应变传感器均同光纤分路器的出线端连接，多个光纤光栅应变传感器分为多个组，每一组的光纤光栅应变传感器均与相对应的光纤分路器的出线端连接，光纤分路器的进线端通过传导光纤与光纤光栅传感器调节仪连接，光纤光栅传感器调节仪通过以太网与计算机连接。
接上述技术方案，光纤光栅应变传感器的个数为16个，光纤分路器的个数为4个，每4个光纤光栅应变传感器为一组，与相应的光纤分路器相连，光纤光栅传感解调仪的通道数为4个。
接上述技术方案，光纤光栅应变传感器分布于桥式起重机主梁的端部、主梁的中部和主梁的连接部位。
接上述技术方案，所述光纤光栅应变传感器为自带温度补偿的应变传感器。
接上述技术方案，自带温度补偿的应变传感器包括应力片和温度片，应力片和温度片紧密连接，应力片4个角均有焊点，温度片的一端同应变片相连，温度片的另一端悬空。
接上述技术方案，光纤光栅应变传感器的应变灵敏度为：0～1.2pm/με，工作温度范围为：-40℃～80℃，应变测量范围为：±2,500με，光缆类型为：3mm铠装光缆。
接上述技术方案，光纤光栅应变传感器焊接于桥式起重机的测点位置上。
接上述技术方案，光纤光栅应变传感器外设有金属保护套罩着。
接上述技术方案，光纤光栅应变传感器尾芯通过防火套管防护，防火套管通过卡扣固定于桥式起重机金属结构上。
接上述技术方案，所述的光纤光栅传感解调仪的波长范围:1520--1580nm，扫描频率:100Hz。
本发明具有以下有益效果：
1、通过多个光纤光栅应变传感器实现对大型工程机械进行分布式测量，测量点多，测量范围大，多个光纤光栅应变传感器形成并联，避免了采用串联时其中一个传感器出故障导致整条线图瘫痪的弊病，对作业中的桥式起重机应力情况进行实时在线监测，根据所测的结构应力对桥式起重机进行故障预警，保证桥式起重机的安全运行，结合预警机制完成结构健康评估，同时，通过在线传输系统将测量值传输给地面技术监测中心的计算机，为起重机的使用、维护以及轻量化设计提供量化数据和安全保障，避免了因金属结构承受应力过大而造成的事故发生，提高桥式起重机的节能性和经济性，利用光纤光栅传感器技术使应力监测稳定性好，精度高，可用于长期监测。
2、通过选用自带温度补偿的应变传感器(即集温度传感器和应力传感器一体的光纤传感器)，温度片和应变片紧密连接保证二者一直处于同一温度场。应变片受被测物形变影响而温度片不受被测物形变影响，能较好的实现测试过程中的温度补偿。
附图说明
图1是本发明实施例中基于光纤光栅传感技术的桥式起重机健康在线监测系统的原理图；
图2是本发明实施例中桥式起重机主梁的应力测量点的布置主视图；
图3是图2的俯视图；
图4是图2的左视图；
图中，1-光纤光栅应变传感器，2-光纤接线盒，3-光纤分路器，4-传导光纤，5-光纤光栅传感解调仪，6-计算机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
参照图1～图4所示，本发明提供的一个实施例中的基于光纤光栅传感技术的桥式起重机健康在线监测系统，包括桥式起重机主体，多个光纤光栅应变传感器1、光纤光栅传感解调仪5、光纤接线盒2和计算机6，光纤接线盒2内设有多个光纤分路器3，多个光纤光栅应变传感器1分布于桥式起重机的测量点上，多个光纤光栅应变传感器采用并联连接，每一个光纤光栅应变传感器均同光纤分路器的出线端连接，多个光纤光栅应变传感器1分为多个组，每组光纤光栅应变传感器1与同一个光纤分路器3对应连接，每一组的光纤光栅应变传感器1的尾芯均与相对应的光纤分路器3的出线端连接，光纤分路器3的进线端通过传导光纤4与光纤光栅传感器调节仪5连接，光纤光栅传感器调节仪5通过以太网与计算机6连接；通过多个光纤光栅应变传感器1实现对大型工程机械进行分布式测量，测量点多，测量范围大，多个光纤光栅应变传感器1形成并联，避免了采用串联时其中一个传感器出故障导致整条线图瘫痪的弊病，对作业中的桥式起重机应力情况进行实时在线监测，根据所测的结构应力对桥式起重机进行故障预警，保证桥式起重机的安全运行，结合预警机制完成结构健康评估，同时，通过在线传输系统将测量值传输给地面技术监测中心，为起重机的使用、维护以及轻量化设计提供量化数据和安全保障，避免了因金属结构承受应力过大而造成的事故发生，提高桥式起重机的节能性和经济性，利用光纤光栅传感器技术使应力监测稳定性好，精度高，可用于长期监测。
进一步地，光纤光栅应变传感器1的个数为16个，光纤分路器3的个数为4个，每4个光纤光栅应变传感器1为一组，与相应的光纤分路器3相连，光纤光栅传感解调仪5的通道数为4个；在线监测系统中设有4个光纤分路器3，分光比均为1：4，16个光纤光栅应变传感器1分成4组，分别与4个光纤分路器3连接，4个光纤分路器3通过4根传导光纤4与光纤光栅传感解调仪5连接。
进一步地，如图2～图4所示，光纤光栅应变传感器1分布于桥式起重机主梁的端部、主梁的中部和主梁的连接部位，A，B，C，D，E，F，G，H，I，J，K，L，M，N，O，P均为桥式起重机主梁上的测量点，也是光纤光栅应变传感器的分布位置。
进一步地，所述光纤光栅应变传感器1为自带温度补偿的应变传感器；通过选用自带温度补偿的应变传感器(即集温度传感器和应力传感器一体的光纤传感器)，温度片和应变片紧密连接保证二者一直处于同一温度场。应变片受被测物形变影响而温度片不受被测物形变影响，能较好的实现测试过程中的温度补偿。
进一步地，自带温度补偿的应变传感器包括应力片和温度片，应力片和温度片紧密连接，应力片4个角均有焊点，保证应力片同桥式起重机主梁紧密焊接在一起，可实时并准确的感受作业中桥式起重机的应变，温度片的一端同应变片相连，温度片的另一端悬空，这样既保证了温度片和应力片处于同一温度场，同时另一端悬空也保证了温度片不受桥式起重机金属结构应变的影响，能够较好的实现温度补偿。
进一步地，光纤光栅应变传感器1的应变灵敏度为：0～1.2pm/με，工作温度范围为：-40℃～80℃，应变测量范围为：±2,500με，光缆类型为：3mm铠装光缆。
进一步地，对桥式起重机金属结构上测点位置进行打磨后，光纤光栅应变传感器1通过专用的点焊机焊接于桥式起重机的测点位置上。
进一步地，光纤光栅应变传感器1外设有金属保护套罩着；保证光纤光栅应变传感器1不受踩踏等外力破坏。
进一步地，光纤光栅应变传感器上贴有粘弹体防护，金属保护套通过粘弹体罩设于光纤光栅应变传感器1外。
进一步地，光纤光栅应变传感器1尾芯通过防火套管防护，防火套管通过卡扣固定于桥式起重机金属结构上。
进一步地，所述的光纤光栅传感解调仪5的波长范围:1520--1580nm，扫描频率:100Hz。
利用光纤光栅应变传感器1本身的特性，使测量稳定性好和测量精度高：
1.稳定性好：光纤光栅应变传感器1由较稳定的二氧化硅制成，测量值为波长，不受电磁干扰、也不受线路老化或布线产生的光功率损耗等影响。
2.测量精度高：光纤光栅应变传感器1精确的透射和反射特征使其更加准确的反映了应力和温度的变化量。
本发明的一个实施例中，本发明的工作原理：
本发明为基于光纤光栅传感技术的桥式起重机结构健康在线监测系统，其测点数目可以根据实际需求做出相应调整，桥式起重机测点数量改变以及光纤光栅传感解调仪5通道数目改变，均为本发明专利所涵盖。
通过有限元分析结合实际情况，确定轻量化桥式起重机主梁的主要受力部位，在主梁中部、主梁端部以及主梁连接出选定应力测点，测点位置可根据起重机现场环境以及焊接光纤光栅应变传感器1的可操作性进行适当调整。如图2～图4所示，在桥式起重机主梁上选择16个应力测点后，用专用的点焊机将光纤光栅应变传感器1焊接在相应的位置。所选用的传感器为自带温度补偿的光纤光栅应变传感器1，应力片和温度片紧密连接，应力片4个角均有焊点，保证应力片同桥式起重机主梁紧密焊接在一起，可实时并准确的感受作业中桥式起重机的应变。温度片一端同应变片相连，另一端悬空，这样既保证了温度片和应力片处于同一温度场，同时另一端悬空也保证了温度片不受桥式起重机金属结构应变的影响，能够较好的实现温度补偿。
基于光纤光栅传感技术的桥式起重机结构健康在线监测系统框架，如图1所示。包括光纤光栅应变传感器1、光纤光栅传感解调仪5、光纤分路器3、光纤接线盒2和计算机6。16个光纤光栅应变传感器1采用并联连接，每4个光纤光栅应变传感器1同一个分光比为1：4的光纤分路器3相连，光线分路器置于光纤接线盒2中，防止其受到人为损坏，4个光纤分路器3通过传导光纤同光纤光栅传感解调仪5相连，光纤光栅传感解调仪5通过网线同计算机6连接。因此，光纤光栅应变传感器1-光纤分路器3-光纤光栅传感解调仪5-计算机6构成一个桥式起重机金属结构应力测试线路。
桥式起重机在作业过程中，由于受载会使其主梁金属结构产生应变，光纤光栅应变传感器1由于焊接作用同桥式起重机紧密连接，可很好的感受起重机的结构应变。因此当桥式起重机产生应变时，光纤光栅应变传感器1的应力片也产生相应的变形，传感器变形使得内部的光纤光栅产生弯曲和拉升，从而改变其中心波长。扫频光源由光纤光栅传感解调仪5的4个通道发射出，经过光纤分路器3后分为16个支路到16个光纤光栅应变传感器1上，当光纤光栅传感解调仪5发出的扫频光波同此时传感器的中心波长吻合时，光波反射回来，此时可通过光纤光栅传感解调仪5对光波信号进行解调。
光纤光栅传感解调仪5对光波信号进行解调后，再通过专用的公式可计算出测点位置桥式起重机的应力值，该应力值可在与通过以太网同解调仪相连接的计算机6上进行处理，然后通过数据传输系统将处理好的数据传送给地面技术监测中心显示，利用该实时数据可以对桥式起重机进行健康评估，同时为桥式起重机轻量化设计提供数据支撑。
以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于光纤光栅传感技术的桥式起重机健康在线监测系统，其特征在于，包括桥式起重机主体，多个光纤光栅应变传感器、光纤光栅传感解调仪、光纤接线盒和计算机，光纤接线盒内设有多个光纤分路器，多个光纤光栅应变传感器分布于桥式起重机的应力测量点上，多个光纤光栅应变传感器采用并联连接，每一个光纤光栅应变传感器均同光纤分路器的出线端连接，多个光纤光栅应变传感器分为多个组，每一组的光纤光栅应变传感器均与相对应的光纤分路器的出线端连接，光纤分路器的进线端通过传导光纤与光纤光栅传感器调节仪连接，光纤光栅传感器调节仪通过以太网与计算机连接。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感技术的桥式起重机健康在线监测系统，其特征在于，光纤光栅应变传感器的个数为16个，光纤分路器的个数为4个，每4个光纤光栅应变传感器为一组，与相应的光纤分路器相连，光纤光栅传感解调仪的通道数为4个。
3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感技术的桥式起重机健康在线监测系统，其特征在于，光纤光栅应变传感器分布于桥式起重机主梁的端部、主梁的中部和主梁的连接部位。
4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感技术的桥式起重机健康在线监测系统，其特征在于，所述光纤光栅应变传感器为自带温度补偿的应变传感器。
5.根据权利要求4所述的基于光纤光栅传感技术的桥式起重机健康在线监测系统，其特征在于，自带温度补偿的应变传感器包括应力片和温度片，应力片和温度片紧密连接，应力片4个角均有焊点，温度片的一端同应变片相连，温度片的另一端悬空。
6.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感技术的桥式起重机健康在线监测系统，其特征在于，光纤光栅应变传感器的应变灵敏度为：0～1.2pm/με，工作温度范围为：-40℃～80℃，应变测量范围为：±2,500με，光缆类型为：3mm铠装光缆。
7.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感技术的桥式起重机健康在线监测系统，其特征在于，光纤光栅应变传感器焊接于桥式起重机的测点位置上。
8.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感技术的桥式起重机健康在线监测系统，其特征在于，光纤光栅应变传感器外设有金属保护套罩着。
9.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感技术的桥式起重机健康在线监测系统，其特征在于，光纤光栅应变传感器尾芯通过防火套管防护，防火套管通过卡扣固定于桥式起重机金属结构上。
10.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感技术的桥式起重机健康在线监测系统，其特征在于，所述的光纤光栅传感解调仪的波长范围:1520--1580nm，扫描频率:100Hz。
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